[發(fā)明專利]一種電子封裝用高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010953289.4
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112142475B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉吉平;李年華
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: C04B35/582
• 分類號: C04B35/582;C04B35/626;H01L23/29
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明涉及一種電子封裝用高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷及其制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料與特種材料制備領(lǐng)域。采用AlN粉體、改性納米AlN粉末、改性Sm₂O₃粉末、TiO₂粉末、炭黑粉末和單層碳納米管制備高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷；本發(fā)明的燒結(jié)溫度控制在1600℃，能耗低，不使用任何粘結(jié)劑，免去排膠等耗時(shí)步驟，保溫時(shí)間短，生產(chǎn)效率大幅提高；所制備的AlN陶瓷晶體中晶界面顯著減少，致密度大幅提高，導(dǎo)熱性能表現(xiàn)優(yōu)異，熱導(dǎo)率值高達(dá)250～270W/m.K。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電子封裝用高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域，屬于無機(jī)非金屬材料與特種材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

為適應(yīng)社會的發(fā)展與時(shí)代的需求，電子產(chǎn)品的升級與換代也是日新月異，越來越多的電子產(chǎn)品向小型便攜化、快捷多功能化方向發(fā)展。促使電子設(shè)備元器件集成度、運(yùn)行速度的不斷提高以及高功率芯片的使用，導(dǎo)致集成電路功耗越來越大，電子元件在高頻工作狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量更加集中，而熱量的不斷積累就會導(dǎo)致芯片的發(fā)熱量急劇上升。器件過高的升溫會造成芯片處理速度的快速下降，甚至損壞失效。數(shù)據(jù)表明電子器件的溫度每超過額定溫度2℃，其可靠性就會降低10％。散熱問題嚴(yán)重制約了電子元件向高密度、多功能、高速化和大功率的發(fā)展。在集成電路中，封裝起著芯片保護(hù)、芯片支撐、芯片散熱、芯片絕緣以及芯片與外電路連接的作用。為了更加高效、快速的散熱，并進(jìn)一步提高電子設(shè)備的性能穩(wěn)定性和使用壽命，對電子封裝材料的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求；同時(shí)，為了保證電子設(shè)備的信號傳輸速度和減小信號損失，還需要電子封裝材料具有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。開發(fā)高導(dǎo)熱低介電封裝材料對下一代高性能電子器件與設(shè)備的開發(fā)具有非常重要的意義。陶瓷封裝材料塑料和金屬相比，優(yōu)點(diǎn)在于：(1)絕緣性能好，可靠性高；(2)介電系數(shù)較小，高頻性能好；(3)熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高；(4)氣密性好，化學(xué)性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，對電子系統(tǒng)起到較強(qiáng)的保護(hù)作用。目前，Al₂O₃陶瓷材料存在著熱導(dǎo)率不高的缺點(diǎn)，因而在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路的使用中受到限制；Si₃N₄介電性能稍差(介電常數(shù)為8.3，介電損耗為0.001～0.1)，生產(chǎn)成本也偏高；SiC陶瓷的介電常數(shù)太高，是AlN的4倍，耐壓強(qiáng)度低，僅適合密度較低的封裝而不適合高密度封裝；BeO各項(xiàng)性能優(yōu)異，但其有劇毒性，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至危及生命，而且污染環(huán)境，生產(chǎn)成本太高；立方BN和六方結(jié)構(gòu)的BN都是在高溫高壓下制備的，是比較典型的共價(jià)鍵晶體。BN由于價(jià)格昂貴，而且有著熱膨脹系數(shù)與硅不匹配等缺點(diǎn)。而氮化鋁(AlN)陶瓷材料因具有高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、與Si相匹配的線膨脹系數(shù)、絕緣以及機(jī)械性能良好、成本低、無毒等優(yōu)點(diǎn)，作為一種綜合性能優(yōu)越的新型電子陶瓷逐漸成為新一代集成電路封裝材料的首選。但是AlN作為共價(jià)化合物，熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散系數(shù)小，通常都是通過高溫?zé)Y(jié)制備，高成本限制了AlN作為封裝基板的應(yīng)用。專利CN101570437A通過連續(xù)式氫氮?dú)夥諣t將AlN粉體和燒結(jié)添加劑在1450～1600℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，得到的AlN陶瓷的熱導(dǎo)率達(dá)170～220W/m.K，其不足之處在于稀土金屬氧化物的含量較高，使得燒結(jié)溫度降低太多，導(dǎo)致氮化鋁陶瓷塊體的致密度不夠，并且在一定程度上阻礙了導(dǎo)熱率的提升。因此，在溫度不太高的情況下，提供一種電子封裝用高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷及其制備方法對電子封裝技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決AlN陶瓷燒結(jié)過程中使用大量燒結(jié)助劑造成晶體缺陷和高含量氧化物使用導(dǎo)致致密度不高，并進(jìn)而導(dǎo)致的AlN陶瓷熱導(dǎo)率性能難以提升的問題，而提供的一種電子封裝用高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷及其制備方法，該方法操作流程簡單，所得AlN陶瓷具有高的致密度和優(yōu)異的導(dǎo)熱性；

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種電子封裝用高致密/高導(dǎo)熱AlN陶瓷，其各組分與質(zhì)量百分比如下：

組分中AlN粉體的粒徑為10～20μm，改性納米AlN粉末的平均粒徑小于50nm。